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中國粒子對撞機計劃:邁向未來的探索

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中國計劃在未來三年內啟動一個耗資50億美元的粒子對撞機建設項目,這一計劃將超越歐洲即將建設的超級對撞機。這台環形正負電子對撞機(CEPC)將有100公里長,旨在以無與倫比的細節測量希格斯玻色子(Higgs boson)——賦予萬物質量的神秘粒子。這些研究成果有望解答宇宙演化以及粒子相互作用的基本問題。

明年,中國政府可能會評估是否將CEPC的建設納入下個五年規劃。根據6月3日發表的一份全面技術設計報告,如果政府支持,建設可能會於2027年啟動,建設周期約為十年。報告估計,這台對撞機的總成本約為364億元人民幣(52億美元),遠低於歐洲未來環形對撞機(FCC)的170億美元。如果獲得批准,歐洲FCC將在2030年代開建。

在CEPC巨大的地下隧道內,電子和正電子(電子的反粒子)將在極高能量下碰撞,產生數百萬的希格斯玻色子。這將使研究人員能夠以前所未有的細節研究這種粒子。香港科技大學的理論物理學家Andrew Cohen表示,通過更精確地測量希格斯粒子,研究人員將探索標準模型無法回答的問題——標準模型是目前描述宇宙組成的主流理論,但尚不完善。

報告還詳細描述了該加速器的布局設計和組件原型。中國科學院高能物理研究所(IHEP)所長王贻芳指出,報告評估了三個可能的選址:秦皇島、長沙和湖州。他說:“我們現在相信這是一個我們可以實際建造的設施。”

歐洲粒子物理實驗室CERN的物理學家Frank Zimmermann表示,中國這台超大設施的許多組件已在國內其他設施上進行過測試,包括北京即將完工的高能同步輻射光源。考慮到中國已有與CEPC類似的對撞機——北京正負電子對撞機,CEPC技術設計報告評審委員會主席Zimmermann說,“他們的進展特別大。”

海外支持

CEPC的技術設計報告表明,中國有能力在基本無需國際科研人員參與的情況下完成CEPC加速器的建設。CEPC國際顧問委員會成員Cohen表示,“只要他們想建這個加速器並採取行動,他們就能建成。”然而,他也指出,中國可能需要外部專家來開發對撞機的探測設備,而這不在報告的討論範圍內。

由於持續的地緣政治壓力,CEPC可能面臨吸引其他國家資金的難題。波士頓大學粒子物理學與量子場論歷史學家曹天予說,“我認為西方幫助的意願會降低。”

然而,不僅中國面臨國際資助的挑戰。5月,德國政府表示不會支付FCC 170億美元標價中的部分,這對該項目造成了巨大障礙。

王贻芳相信CEPC將成為一次全球合作的典範。他指出,在中國一些大型物理設施的工作團隊中,國際科研人員已占30%-50%,包括計劃於今年啟用的江門中微子實驗。他說:“我們相信CEPC也會差不多。”

與此同時,王贻芳和他的團隊正在編寫一份工程設計報告,以詳細闡述CEPC建設的具體細節。他說:“我們想確保我們為這個項目做好萬全準備。”